Miyokard Korunması - II: Miyokard Metabolizması ve Harabiyeti

Transkript

1 Op. Dr. Semih Barlas, Op. Dr. Emin Tireli, Doç. Dr. Enver Dayıoğlu, Prof. Dr. Cemil Barlas İstanbul Üniversitesi, İstanbul Tıp Fakültesi, Göğüs Kalp ve Damar Cerrahisi Anabilim Dalı, İstanbul Kalp adalesinin kasılması ve diğer hücre içi olaylar için gerekli enerji kaynağı Adenozin Trifosfat (ATP)'dir. Enerji hammaddelerinin enerji veren maddelere dönüşmesi, glikoliz yoluyla olur, Glikoz, sarkolemma-tubuler zarları geçtikten sonra glikoz 6 fosfata dönüşür. Bundan sonra ya glikojen olarak depo edilir ve yıkıma uğrar. Glikoliz ve Krebs çemberi sırasında gelişen ve sonuçta ATP açığa çıkartan reaksiyonlar Tablo 1'de gösterilmiştir. ATP'nin serbest olarak oluşumu dışında, oksitlenmiş (NAD*) veya indirgenmiş (NADH 2 ) şeklinde bulunabilen, Nikotinamid Adenin Nükleotid (NAD) harcanmasından da ATP elde edilebilir. Glikoz gibi yakıtlarda bulunan hidrojen iyonları, ATP üretmeden önce NAD'yi NADH 2 'ye çevirir ve H 2 O oluştururlar. Bu arada her biri NADH 2 'den 3 ATP kazanılır. Sonuçta aerobik glikoz+sitrik asit siklusu ile 36 ATP elde edilir. Anaerobik glikolizde ise gliseraldehid 3 fosfattan, 1.3 difosfogliserat oluşurken ATP açığa çıkmaz. Sitrik asit çemberi de gerçekleşmediği için sadece 2 ATP elde edilir (Şekil 1) (1). Normoksi durumunda, glikolizin hızı, üretilen ATP ve sitrat miktarına göre ayarlanır; ATP ve sitrat miktarı arttığında, glikoliz inhibe edilir. Hipoksi veya hafif iskemi durumunda myokard, ihtiyacı olan hammaddeyi glikojeni yıkarak karşılar. Ortam oksijensiz olduğunda, piruvat dehidrogenaz (PDH) enzimi, okside olamamış NADH 2 tarafından inhibe edilir ve sitrat çemberi gerçekleşemez. ATP depolarında açık belirir. Enerji geresinimi anaerobik glikoliz ile karşılanmaya çalışılır. Bu mekanizma, ATP ve sitrat açığını yerine koyamadığından glikoliz stimulasyonu sürer. Anaerobik glikoliz; Adenozin mono fosfat (AMP), inorganik (P i ) ve hepsinden önemlisi laktat birikimine yol açar (Şekil 2). İskemi ağırlaştıkça ve devam ettikçe artan laktat birikimi, gliseraldehid 3 fosfat dehidrogenaz (GAPDH) enzimini ve enerji sentezini inhibe eder. Yine aynı şekilde, normalde, enerji açığında akitve olabilen fosfofruktokinaz enzimi (PFK), ağır iskemini doğurduğu intraselüler asidoz sonucunda işlev göremez ve glikoliz tamamen dururken, yıkım ürünleri hücre içinde kalır. Laktat oluşumu, myokard hipoksisinin belirtisidir (Şekil 3). Myokard harabiyeti, kalbin iskemi ve reperfüzyon sırasında meydana gelen işlevsel, metabolik değişimler olup zamanında önlenmediği takdirde hücrenin geriye dönülmez biçimde zarar görmesine yol açar. Kalpte kısa bir iskeminin ardından, uzun süreli bir işlev kaybının belirdiği, kasılma yeteneğinin oldukça geç olarak yeniden kazanıldığı anlaşılmıştır. Bu duruma "myokardial stunningdonma" denmektedir. Klinik olarak myokardial stunning, en sık olarak açık kalp ameliyatlarındaki kardio-pulmoner bypass sırasında, iskemik arrest uygulanan kalplerde görülmektedir. "Stunning" durumundaki myokardda görülen metabolik olaylar Şekil 4'de gösterilmiştir. İskemi ile birkaç saniye içinde ATP depolarında bir zayıflama belirir. ATP kaybı ile Adenozin difosfat (ADP) ve Adenozin monofosfatın (AMP) artışı normal şartlarda durgun bir aktivasyon gösteren enzimleri canlandırır. Sonuçta, iskemi sırasında gerçekleşen bir dizi yıkım reaksiyonu Adenin nükleotidlerin (Adenozin ve İnozin) birikimine yol açar. İnozin, iskemide beliren en önemli nükleosid

2 Barlas ve ark. Metabolizması ve Harabi yeti GKD Cer. Derg. Şekil 4 Açık kalp ameliyatlarındaki elektif iskemi ve reperfüzyon ile oluşan bozukluklar Şekil3. Hücre asidozu fosfofruktokinaz(pfk) enzimini inhibe ederken, anaerobik glikolizle artan laktat,gliseralsehit 3 fosfat dehidrogenaz(gapdh)enziminin aktivitesini baskılayıp enerji sentezini durdurur (%80-90) olup, yıkımı sırasında superoksid radikallerinin (O 2 ) ortaya çıktığına inanılmaktadır (Şekil 5) (2) Superoksid radikalleri, tüm vücut hücrelerinde, normal şartlarda az sayıda üretilirler. Fakat bu radikaller, superoksid dizmutaz (SOD), katalaz, glutatyon peroksidaz tarafından etkisiz hale getirilirler (scavenging enzim sistemleri) ve hücredeki diğer moleküllere saldırmaktan alıkonurlar. İskemi sırasında her yıkılan ATP molekülünden, reperfüzyon sırasında ortama hızlı bir biçimde oksijen verilme siyle, 4 superoksid radikali meydana gelmektedir. "Scavenging enzim"lerin az miktarda oldukları bir anda, superoksid radikallerinin üretimi bu şekilde hızla artarsa, etkisizleştirme mekanizması çalışamaz ve bu radikal daha da yıkılıp Haber-Weiss sentezi sonucunda yüksek oksidasyon yeteneği bulunan hidroksil radikali (OH) ortaya çıkar (3) O 2 + H 2 O 2 O 2 + OH - + OH Superoksid ve hidroksil radikalleri herhangi ir molekülle reaksiyona girmelerine rağmen, hidroksil radikali en çok hücre memranındaki uzun zincirli yağ asidleri ile birleşip lipid peroksidasyonuna yol açar. Bu işlem, hücre membranındaki başka "scavenger enzim ler tarafından durdurulana kadar devam eder. İskemi veya kronik siyanoz gibi scavenging enzim aktivitesini azaltıcı nedenler, hücreyi reoksijenazyon harabiyetine daha da duyarlı kılar. Birçok araştırmacı, reperfüzyon dönemin

3 GKD Cer. Derg. Barlas ve ark. Şekil 6. Serbest yağ asitlerinden enerji üretimi Şekil 5.Adenin nükleotidlerin birikimi.ürik asit ve serbest oksijen radikalleri(süperoksit radikali:0 2 )oluşumu Şekil 7. İskemi başlangıcından hücre ölümüne dek uzanan olaylar de scavenging enzimlerinin verilmesini ventrikül fonksiyonlarını düzelttiğini ileri sürmektedir (4). İskemi sırasında anaerobik glikoliz nedeniyle laktat ve hidrojen iyonu birikimi sonucunda, hücre içi ph düşer. Normal aerobik koşullarda myokardın enerji gereksinmesinin önemli bölümü, serbest yağ asitlerinin oksidasyonu ile giderilir. Serbest yağ asitleri, yağ (asil) esterleri olup, coenzim A içerirler (asil CoA). Serbest yağ asitlerinin myokard tarafından yıkımı asil CoaA, karnitin transferaz gibi enzimlere bağlıdır. Bu enzimler, asil CoA'nın sitozolden mitokondriye taşınmasını sağlayıp sonuçta asil karnitin yaparlar (Şekil 6). Sarkolemmanın işlevleri, tamamen lipidlerden oluşan yapısal bütünlüğüne bağlıdır. Sarkolemmanın iskemiye bağlı olarak yırtılması, bozuk lipid metabolizmasını simgeler. Uzun zincirli asil karnitin ve lizofosfatidil kolin (LPC) gibi metabolitlerin birikimi; bunların yıkımında görevli enzimlerin baskılanması sonucunda gerçekleşir. Bu metabolitler toksik özellik gösterirler; zira, hidrofilik ve hidrofobik özellikleri, onların deterjan gibi davranmalarına neden olur. Uzun süre iskemide yağ asitlerinin oksidasyonu, uzun zincirli asil karnitin transferaz enzim eksikliği sonucunda düşer. Buna bağlı olarak hücre içi asil CoA artar, asetil CoA azalır. İskemi sırasında myokardial ATP depolarındaki azalma, sarkolemmadaki enerji ile çalışan sodyum pompasını baskılar. Buna bağlı olarak sodyumpotasyum taşınımı etkilenir. Hücre içinde sodyum birikirken, potasyum kaybedilir. Hücre dışında ise potasyum artar. Sodyum/kalsiyum taşınımına bağlı olarak hücre içi kalsiyum aşın yükseliri. Zayıf ATP düzeyleri, sitoplazmik retikulumun kalsiyum geri alımı ile birlikte, hücrelerden kalsiyum atılımını da düşürürler. Sonuçta artan hücre içi kalsiyum, mitokondride aşırı bir yüklenmeye yol açar. Bu da ATP üretimini daha da düşürür. Hücre içi Ca + ATPaz'larının aktivasyonu, ATP kullanımını arttırır ve sarkolemmal fosfolipidleri aktive eder. Deterjan özelliğindeki fosfolipid ürünleri ortaya çıkarak hücre membranının bütünlüğünü bozarlar. Myokard iskemisi kalbin kasılma mekanizmasının işlevini bozar. Aynı zamanda ventrikülün diastolik basınç-hacim ilişkisini de etkiler. Sonuçta sistolik basınç, maksimim dp/dt ve maks. dp/dt/ diastol sonu basıncı düşerken, diastolik basınç yükselir. Ortaya çıkan sistolik ve diastolik yetmezlik, sonuçta ventriküldeki dolum basınçlarını arttırarak, pulmoner sahada göllenmeye neden olur. ATP düzeyi, kontrol düzeylerinin %20'sine düştüğünde, hücreler iyon dengelerini sağlamaları için gerekli ATP'yi üretemez hale gelirler. Bu durum, hücre şişmesi ve sarkolemma harabiyetine yol açar. Hücre, iskemi ile sadece reversibl olarak harap olduğunda (canlılığı, reperfüzyon ile henüz sağlanabilirken) ATP depoları genel olarak kontrol düzeylerinin %60'ından yüksektir (Şekil 7). Geçici bir iskemi sonrasındaki reperfüzyon

4 Barlas ve ark. sırasında gözlenen değişikliklerin, sadece reperfüzyona bağlı bir harabiyet mi yoksa iskemi sırasında oluşan ve zaten kendini gösterecek bozukluklarının reperfüzyonla hızlanmasına mı bağlı olduğu konusu henüz tam olarak bilinmemektedir (5). Reperfüzyon, iskemi sonrasında hücrenin canlılığına kavuşmasında önemli rol oynamasına rağmen, bazı ciddi olumsuz etkileri yüzünden myokard hasarına katkıda bulunur. Reperfüzyon hasarı (5) : a) kalsiyum birikim; b) reperfüzyon aritmileri; c) vasküler harabiyet ve akımsızlık (noreflow); d) "Myokard stunning"; e) iskemi ile kısmen zarar görmüş hücrelerde nekrozun hızlanmasına; f) iskemi ile tamamen zarar görmüş hücrelerde aşırı ödem oluşuyla karakterizedir. Reperfüzyon hasarındaki hücresel olayları açıklayan iki önemli hipotez mevcuttur: a) kalsiyum yüklenmesi; b) serbest radikaller. Kalsiyum ve/ veya oksijenin, daha önceden kalsiyumdan yoksun, hipoksik bir ortama reperfüzyon ile verilmesi, büyük miktarlarda kalsiyumun hücre içine girişine neden olurken, serbest radikalleri oluşturur. Kalsiyum Paradoksu: Kalsiyum hücre dışı mesafeden önce uzaklaştırılıp, ardından yerine konunca sonuç; ciddi hücre harabiyeti; aşırı enzim salgılanması ve adale kontraktürüdür (6). Mitokondri yeniden işleve geçtiğinde, enerjisini sitolozün aşırı kalsiyum yükünü dışarı atmakta harcar, bu da hücrenin solunum zincirini zayıflatır, oksijen ve enerji üretimini baltalar. Oksijen Paradoksu: Aniden reoksijene olan mitokondrinin hızlı ve aşırı kalsiyum alımı, kontraksiyon bantları oluşumuna, enerji kaybına, sitolozik kalsiyumun iyi kontrol edilememesine, sarkolemma harabiyetine ve hücre içi enzimlerin salgılanmasına neden olur. Bu iş, tüm enzimler tükenene dek devam eder. Şu anda geçerli hipotez, oksijenin ani olarak ortama verilmesinin, oksijen kaynaklı serbest radikallerin oluşumuna yol açarak hücreyi harap etmesidir. İzole bir kalp adalesi glikoz ve oksijenden yoksun bırakıldığında, normal koşulların yeniden sağlanması sonrasında kalsiyum ve lizofosfatidil kolin (LPC), reperfüzyon aritmilerine yol açar. Hearse ve Tosaki (7), serbest radikal oluşumu ile reperfüzyon döneminde görülebilen ventriküler fibrillasyon arasında sıkı ilişki olduğunu öne sürmüştür. Serbest radikaller, yarattıkları membran harabiyeti ile aksiyon potansiyellerini olumsuz yönde etkileyecek hücrelerde elektrofizyolojik değişimlere neden olmakta ve aritmilere zemin hazırlamaktadır. Reperfüzyon ve Vasküler Hasar: Akımsızlık (noreflow) özel bir damar harabiyetidir. Üç ana açıklaması vardır (8) : a) mikrovasküler harabiyet ve nöt GKD Cer. Derg. rofil tıkaçları, endotel hücre ödemine yol açarak kapiller akımsızlık yaratır (hücre şişme hipotezi); b) trombosit veya trombüsler, mikrovasküler tıkaçlar yapabilirler; c) myokardın iskemik kontraktürü, koroner arterleri sıkıştırır ve normal akımı engeller. Myokardial "stunning": Reperfüzyon sırasında hipokinetik segmentler, işlevlerinin büyük bölümüne hemen kavuşurken, tam düzelme ancak 1-3 haftada oluşur. Stunning, gecikmiş iyileşmeyi simgeler. Bunun nedeni olarak, iskemik dönem sırasındaki enerji sentezinin gerilemesi düşünülebilir. Kusuoka ve ark. (9), kontraktilite bozukluğunun reperfüzyonun erken dönemindeki kalsiyum yüklenmesine bağlı olduğunu söylemişlerdir. Serbest radikaller de, sitoplazmik retikulumun kalsiyum alım ve salımını bozarak ve sitozolik kalsiyumda aşırı bir artışa yol açarak stunning'de rol oynarlar. Reperfüzyon hasarını şiddetini etkileyen faktörler şöyle sıralanabilir: I - İskemini süresi: Reperfüzyon aritmileri ve reversibl iskemi arasında ilişki mevcuttur. Ölü hücrelerde reperfüzyon aritmisi oluşmaz. Bu durumda düşünelecek şey, ATP şeklindeki enerjinin en azından bu tiplerdeki reperfüzyon aritmileri için gerekli olduğudur dakikalık iskemilerde, kalsiyum yüklenmesi ve aşırı enzim salgılanması sonucu artan iskemik hasar yine reperfüzyon hasarını da beraberinde arttırır (10). II - İskeminin şiddeti: İskemik hasarın şiddeti, bunu takip eden reperfüzyon hasarının da derecesini tayin eder. İskemi sırasında siklik AMP birikerek kalsiyum oynamalarına yol açar ve reperfüzyon döneminde aritmileri doğurur. İskemi sırasında biriken yağ asidi metabolitleri, kalsiyum kanallarını açık tutarak, hücreye girişi arttırır. Myokard hipoperfüzyonu ne kadar şiddetli ise, reperfüzyonla ortaya çıkan serbest radikal oluşumu da o derece hızlıdır. III - Reperfüzyonun hızı: Hızı reperfüzyon, reperfüzyon aritmilerinin gelişme süratini de arttırırken, mekanik düzelme hızını yavaşlatır. İskemi ve reperfüzyondaki ultrastrüktürel değişiklikler( 11,12) A) İskeminin reversibl fazı: İskemik bırakılmayan myokardlarda bol miktarda mitokondriye ve kontraksiyon yapan myofibrillere rastlanır. Çekirdekte düzgün dağılımlı kromatin ağı, sarkoplazmada bol miktarda glikojen granülleri vardır. Sarkoplazma bütünlüğü bozulmamıştır. İskeminin yaklaşık 15. dakikasına kadar önemli bir ultrastrüktürel değişiklik tespit edilmez. Bu süreden sonra myofibrillerde gevşeme, glikojen granüllerinde azalma tespit edilebilir. Mitokondriler genellikle şişer ve çekirdek kromatininde hafif derecede kenarlara yığılma (margination")gözlenir.

5 GKD Cer. Derg. B) Iskeminin irreverbil fazı: İskeminin dakikaları arasında mitokondriler aşırı derecede şiştir ve mitokondri matriksinde boşluklar meydana gelir. Matrikse ait bu boşluklarda osmiofilik amorf dansiteler "dense bodies") belirlenir. Bu dansiteler 200 A 0 çapına kadar erişirler ve bir mitokondride en fazla 4 dansite görülür. Çekirdek ise aşırı derecede periferal kromatin kümeleşmesi gösterir. Sarkoplazmada glikojen depoları ciddi dereceleri azalır. Myofibriller aşırı gergin gözükür. Plazma membranında defektler oluşur. Iskemi 30 dakikadan birkaç saate kadar uzarsa mitokondrial amorf matriks dansiteleri sayıca ve büyüklükçe artar. Sarkolemmadaki defektler genişler. Bununla birlikte hücrelerin myofibrilleri gerilmekten başka bir patoloji göstermez ve yapısal olarak bütünlüğünü korur. Bu nedenlerden dolayı, irreversibl iskemik hasara ışık mikroskobu ile tanı koymak olanaksızdır. Kalp kası hücreleri dışında, kapiller endotel hücrelerinin pinositik vakuollerini kaybettikleri ve geniş sitoplazmik blebler meydana getirdikleri söylenebilir. Bu son değişiklik, iskeminin 60. dakikasından sonra çok aşikar hale gelir. C) Reperfüzyonun reversibl fazı: İskeminin ilk 15 dakikası içinde yapılan reperfüzyon normal hücresel yapıya dönüşüm için gerekli restorasyonu sağlar. D) Reperfüzyonun irreversibl fazı: Reperfüzyonun 2. dakikasında kalp kasında belirgin kontraksiyon bantları oluşur ve subsarkolemmal blebler artar. A, I ve Z band yapıları kaybolmuştur. Sarkomerler kısalır. Bu bölgedeki plazma membranında geniş defektler oluşur. Reperfüzyon, iskeminin irreversibl dönemindeki myokardda ikinci tip mitokondriyal granüllerin oluşmasını sağlar. Bu ikinci tip granüller amorf dansitelerden daha granüler bir görüntü verirler. Kalsiyum fosfat içerirler. Bu granüller reperfüzyonun 20. dakikasında sayılarını arttırırlar. Kaynaklar Barlas ve ark. 2 Abd-Elfattah AS, Jessen ME, Hanan SA, Tuchy G, Wechsler S: Is adenosine 5'-triphosphate derangement or free-radikcal-mediated injury the major cause of ventricular dysfunction during reperfusion? Circ 82 (suppl. IV): , Menasche P, Grousset C, Gauduel Y, Mouas C, Piwnica A: Prevention of hydroxyl radical formation: A critical concept for improving cardioplegia. Circ 76 (suppl V): 180., Buckberg GD: Strategies and logic of cardioplegic delivery to prevent, avoid, and reverse ischemic and reperfusion damage. J Thorac Cardiovasc Surg 93:127-39, Opie LH: Reperfusion injury and its pharmacologic modification. Circ 80: , Zimmerman ANE, Hulsmann WC: Paradoxical influence of calcium ions on the permeability of the isolated rat heart. Nature 211:646-47, Hearse DJ, Tosaki A: Free radicals and calcium: Simultaneous interacting triggers as determinants of vulnerability to reperfusion induced arrhythmias in the rat heart. J Mol Celi Cardiol 20:213-23, Skipper ER, Lust RM, Morrison RF, Sun YS, Austin ; EH, Chitwood WR: Superior protection of severe hypertrophy using retrograde coronary sinüs cardioplogia. Circ 78 (suppl II): 184, Kusuoka H, Porterfield JK, Weisman HF: Pathophysiology and pathogenesis of stunned myocardium: Depressed Ca 2+ activation of contraction as a consequence of reperfusion-induced cellular calcium overload in ferret hearts. J Clin Invest 79:950-61, Ferrari R, Ceconi C, Curello S: Intracellular effects of myocardial ischemia and reperfusion: Role of calcium and oxygen. Eur Heart J 7 (suppl A):3-12, Moran SV, Chuaqui B, Irarrazaval MJ, Thomsen P, Navarro M, Urzua J, Maturana G: Ultrastructural myocardial preservation during coronary artery surgery: A controlled perspective, randomized study in humans. Ann Thorac Surg 41:79-84, Sjostrand F, Ailen B, Buckberg GD, Okamoto F, Young H, Bugyi N, Beyersdorf F, Barnard J, Leaf J: Studies of controlled reperfusion after ischemia IV. Electron microscopic studies. J Thorac Cardiovasc. Surg 92:513-24, Kalaycı G: Durdurulmuş kalpte retrograd perfüzyonun myokardı korumadaki etkinliği. Doçentlik tezi. İstanbul 1980.